(57)【要約】  支持部と該支持部に揺動自在に支持されたカンチレバー部とを備えたベース基板と、カンチレバー部に形成され該カンチレバー部の振動に応じて交流電力を発生する発電部とを備えた振動発電素子であって、発電部は、ベース基板の一表面側におけるカンチレバー部に重なる部位において互いに並置された第１の圧電変換部と第２の圧電変換部とを有し、第１の圧電変換部および第２の圧電変換部に共通の下部電極が電気的に接続された共通電極と、第１の圧電変換部および第２の圧電変換部のそれぞれの上部電極が個別に接続された個別電極とを有する。
2012026453.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持部と該支持部に揺動自在に支持されたカンチレバー部とを備えたベース基板と、前記カンチレバー部に形成され該カンチレバー部の振動に応じて交流電力を発生する発電部とを備えた振動発電素子であって、
前記発電部は、前記ベース基板の一表面側における前記カンチレバー部に重なる部位において互いに並置された第１の圧電変換部と第２の圧電変換部とを有し、
前記第１の圧電変換部および前記第２の圧電変換部は、それぞれ、前記カンチレバー部側の下部電極と、該下部電極における前記カンチレバー部側とは反対側に形成された圧電層と、該圧電層における前記下部電極側とは反対側に形成された上部電極とを備え、前記ベース基板の前記一表面側に、前記第１の圧電変換部の前記上部電極または前記下部電極のいずれか一方と前記第２の圧電変換部の前記上部電極または前記下部電極のいずれか一方とが電気的に接続された共通電極と、前記第１の圧電変換部および前記第２の圧電変換部のそれぞれ他方の前記上部電極または前記下部電極が個別に接続された個別電極とを有することを特徴とする振動発電素子。
【請求項２】
前記第１の圧電変換部の前記上部電極と、前記第２の圧電変換部の前記上部電極とが空間的に分離された２つの電極として形成され、
前記第１の圧電変換部の前記下部電極と、前記第２の圧電変換部の前記下部電極とが共通の１つの電極として形成されていることを特徴とする請求項１に記載の振動発電素子。
【請求項３】
前記第１の圧電変換部の前記上部電極と、前記第２の圧電変換部の前記上部電極とが共通の１つの電極として形成され、
前記第１の圧電変換部の前記下部電極と、前記第２の圧電変換部の前記下部電極とが空間的に分離された２つの電極として形成されていることを特徴とする請求項１に記載の振動発電素子。
【請求項４】
前記第１の圧電変換部と、前記第２の圧電変換部とは、前記カンチレバー部の揺動方向において歪量を同じくする対称な位置に配置されてなることを特徴とする請求項１に記載の振動発電素子。
【請求項５】
前記カンチレバー部は、前記支持部から揺動自在に延出するように形成され、
前記第１の圧電変換部および前記第２の圧電変換部は、前記カンチレバー部の延出方向に対して垂直方向に並置されていることを特徴とする請求項４に記載の振動発電素子。
【請求項６】
前記第１の圧電変換部の前記圧電層と、前記第２の圧電変換部の前記圧電層とが空間的に分離されてなることを特徴とする請求項１に記載の振動発電素子。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の振動発電素子と、該振動発電素子の前記共通電極および前記各個別電極から出力される二相交流を整流する二相全波整流回路部とを備えたことを特徴とする振動発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動エネルギを電気エネルギに変換する振動発電素子およびそれを用いた振動発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）デバイスの一種として、車の振動や人の動きによる振動などの任意の振動に起因した振動エネルギを電気エネルギに変換する振動発電素子が各所で研究開発されている。【０００３】
この種の振動発電素子として、たとえば、図１０Ａに示すように、Ｓｉからなるベース基板９１の支持部９２ａに一端部が固定され他端部がベース基板９１と空間を隔てて揺動自在に支持されるカンチレバー部（撓み部）９２ｂと、カンチレバー部９２ｂ上に形成されカンチレバー部９２ｂの振動に応じて交流電力を発生する発電部９３とを備えたものが知られている（たとえば、Y.B.Jeon,et al,「MEMS powergenerator with transverse mode thin film PZT」,Sensors and Actuators A 122,16-22,2005を参照）。【０００４】
図１０Ａに示す振動発電素子９１０では、カンチレバー部９２ｂが、ＳｉＯ2やＳｉ3Ｎ4からなる薄膜９６と、該薄膜９６上に形成され発電部９３からの電荷の拡散を防止する拡散防止層９７（ここでは、ＺｒＯ2）とを備えた構成となっている。【０００５】
また、拡散防止層９７上の発電部９３は、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）からなる圧電層９５と、圧電層９５の一表面側に形成されたＰｔ／Ｔｉからなる一対の電極９４ａ，９４ｂとで構成されている。なお、圧電層９５は、変形方向と電界方向とが直交するｄ33モードを利用した構成としており、一対の電極９４ａ，９４ｂは、平面視において、それぞれ櫛形状であって、所定の間隔を隔てて互いに噛み合わさせた構造に配置している（図１０Ｂを参照）。さらに、振動発電素子９１０は、カンチレバー部９２ｂの他端部側の表面上に、カンチレバー部９２ｂの揺動が大きくなるように錘部９２ｃが設けられている。【０００６】
振動発電素子９１０は、振動によりカンチレバー部９２ｂが揺動することで、発電部９３の圧電層９５が圧電層９５の厚み方向と垂直な直交方向に分極（図１０Ａ中の矢印を参照）され、発電した電力を一対の電極９４ａ，９４ｂから外部に出力することができる。【０００７】
ところで、上記文献に記載の振動発電素子９１０は、カンチレバー部９２ｂの揺動により発電部９３が発電する。そのため、振動発電素子９１０の一対の電極９４ａ，９４ｂから出力される電力は、カンチレバー部９２ｂの揺動に伴い極性が反転する交流電力を発生することになる。【０００８】
これに対し、振動発電素子９１０の一対の電極９４ａ，９４ｂに接続される負荷は、一般に、小型電子部品やＬＳＩなどの直流電力を必要とするものが想定されている。そのため、上記文献では、振動発電素子９１０から出力される交流電力を直流電力にできるように、上述の振動発電素子９１０を用いて図１０Ｃに示す振動発電装置９２０を構成している。【０００９】
振動発電装置９２０は、振動発電素子９１０の出力を単相全波整流回路部（単相ブリッジ整流回路）である整流器Ｄ１の出力と並列にコンデンサＣｓを接続させている。負荷ＲLは、コンデンサＣｓの両端間に接続されている。これにより、振動発電装置９２０は、振動発電素子９１０の出力を交流電力から直流電力に整流して、一対の電極９４ａ，９４ｂに接続される負荷ＲL側に出力することができる。なお、図１０Ｃの振動発電装置９２０では、振動発電素子９１０を、交流電源Ｉｐと、交流電源Ｉｐに並列接続されたコンデンサＣｐと、コンデンサＣｐに並列接続された抵抗Ｒｐによる等価回路で示している。【００１０】
しかしながら、上述の振動発電素子９１０から取り出される発生電力は、一般にマイクロワット[μＷ]程度と小さい。振動発電装置９２０は、振動発電素子９１０から出力された電流を単相全波整流回路部たる整流器Ｄ１を通して整流すると、整流器Ｄ１を構成するダイオードのｐｎ接合部での電圧降下による損失が大きく影響する。特に、図１０Ｃに示す振動発電装置９２０では、振動発電素子９１０の出力を交流電力から直流電力に整流するに際し、単相全波整流回路部である整流器Ｄ１の２個のダイオードを通って振動発電素子９１０からの電流が出力されることになる。そのため、上述の振動発電素子９１０を用いた振動発電装置９２０では、発電効率が低くなるという問題がある。【００１１】
振動発電素子９１０は、より小型で出力の高いものが求められており、単純に振動発電素子９１０の圧電層９５の面積を大きくして出力を向上させる構成とすることが難しい。したがって、上述の振動発電素子９１０や振動発電装置９２０の構成だけでは十分ではなく、更なる改良が求められている。
【発明の開示】
【００１２】
そこで、本発明の目的は、出力電力がより高く小型化が可能な振動発電素子およびそれを用いた振動発電装置を提供することにある。
【００１３】
本発明の振動発電素子は、支持部と該支持部に揺動自在に支持されたカンチレバー部とを備えたベース基板と、上記カンチレバー部に形成され該カンチレバー部の振動に応じて交流電力を発生する発電部とを備えた振動発電素子であって、上記発電部は、上記ベース基板の一表面側における上記カンチレバー部に重なる部位において互いに並置された第１の圧電変換部と第２の圧電変換部とを有し、上記第１の圧電変換部および上記第２の圧電変換部は、それぞれ、上記カンチレバー部側の下部電極と、該下部電極における上記カンチレバー部側とは反対側に形成された圧電層と、該圧電層における上記下部電極側とは反対側に形成された上部電極とを備え、上記ベース基板の上記一表面側に、上記第１の圧電変換部の上記上部電極または上記下部電極のいずれか一方と上記第２の圧電変換部の上記上部電極または上記下部電極のいずれか一方とが電気的に接続された共通電極と、上記第１の圧電変換部および上記第２の圧電変換部のそれぞれ他方の上記上部電極または上記下部電極が個別に接続された個別電極とを有する。従って、振動発電素子には、出力電力がより高く小型化が可能になるという効果がある。
【００１４】
この振動発電素子において、上記第１の圧電変換部の上記上部電極と、上記第２の圧電変換部の上記上部電極とが空間的に分離された２つの電極として形成され、上記第１の圧電変換部の上記下部電極と、上記第２の圧電変換部の上記下部電極とが共通の１つの電極として形成されていることが好ましい。
【００１５】
この振動発電素子において、上記第１の圧電変換部の上記上部電極と、上記第２の圧電変換部の上記上部電極とが共通の１つの電極として形成され、上記第１の圧電変換部の上記下部電極と、上記第２の圧電変換部の上記下部電極とが空間的に分離された２つの電極として形成されていることが好ましい。
【００１６】
この振動発電素子において、上記第１の圧電変換部と、上記第２の圧電変換部とは、上記カンチレバー部の揺動方向において歪量を同じくする対称な位置に配置されてなることが好ましい。
【００１７】
この振動発電素子において、上記カンチレバー部は、上記支持部から揺動自在に延出するように形成され、上記第１の圧電変換部および上記第２の圧電変換部は、上記カンチレバー部の延出方向に対して垂直方向に並置されていることが好ましい。
【００１８】
この振動発電素子において、上記第１の圧電変換部の上記圧電層と、上記第２の圧電変換部の上記圧電層とが空間的に分離されてなることが好ましい。
【００１９】
本発明の振動発電装置は、上記振動発電素子と、該振動発電素子の上記共通電極および上記各個別電極から出力される二相交流を整流する二相全波整流回路部とを備える。従って、振動発電装置には、出力電力がより高く小型化が可能になるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
本発明の好ましい実施形態をさらに詳細に記述する。本発明の他の特徴および利点は、以下の詳細な記述および添付図面に関連して一層良く理解されるものである。
【図１Ａ】実施形態１の振動発電素子の概略平面図である。
【図１Ｂ】図１ＡのＸ−Ｘ概略断面図である。
【図２】実施形態１の振動発電素子を用いた振動発電装置の回路図である。
【図３Ａ】実施形態１の振動発電素子の製造方法を説明する主要工程図である。
【図３Ｂ】実施形態１の振動発電素子の製造方法を説明する主要工程図である。
【図３Ｃ】実施形態１の振動発電素子の製造方法を説明する主要工程図である。
【図４Ａ】実施形態１の振動発電素子の製造方法を説明する主要工程図である。
【図４Ｂ】実施形態１の振動発電素子の製造方法を説明する主要工程図である。
【図４Ｃ】実施形態１の振動発電素子の製造方法を説明する主要工程図である。
【図５Ａ】実施形態１の振動発電素子の製造方法を説明する主要工程図である。
【図５Ｂ】実施形態１の振動発電素子の製造方法を説明する主要工程図である。
【図５Ｃ】実施形態１の振動発電素子の製造方法を説明する主要工程図である。
【図６Ａ】実施形態１の振動発電素子の製造方法を説明する主要工程図である。
【図６Ｂ】実施形態１の振動発電素子の製造方法を説明する主要工程図である。
【図７Ａ】実施形態１の別の振動発電素子の概略平面図である。
【図７Ｂ】図７ＡのＸ−Ｘ概略断面図である。
【図８Ａ】実施形態２の振動発電素子の概略平面図ある。
【図８Ｂ】図８ＡのＸ−Ｘ概略断面図である。
【図９Ａ】実施形態２の別の振動発電素子の概略平面図である。
【図９Ｂ】図９ＡのＸ−Ｘ概略断面図である。
【図１０Ａ】従来の振動発電素子の断面図である。
【図１０Ｂ】従来の振動発電素子の要部平面図である。
【図１０Ｃ】従来の振動発電素子を用いた振動発電装置の回路図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
（実施形態１）
以下、本実施形態の振動発電素子について図１Ａ及び図１Ｂを用いて説明し、図２を用いて振動発電素子１０を用いた振動発電装置２０について説明する。【００２２】
本実施形態の振動発電素子１０は、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、支持部２ａと支持部２ａの内側に配置され支持部２ａに揺動自在に支持されたカンチレバー部２ｂとを備えたベース基板１と、ベース基板１の一表面１ｂ側においてカンチレバー部２ｂに形成されカンチレバー部２ｂの振動に応じて交流電力を発生する発電部３とを備えている。【００２３】
特に、本実施形態の振動発電素子１０は、発電部３が、ベース基板１の一表面１ｂ側におけるカンチレバー部２ｂに重なる部位において互いに並置された第１の圧電変換部３ａと第２の圧電変換部３ｂとを有している。また、第１の圧電変換部３ａおよび第２の圧電変換部３ｂは、それぞれ、カンチレバー部２ｂ側の下部電極４と、該下部電極４におけるカンチレバー部２ｂ側とは反対側に形成された圧電層５と、該圧電層５における下部電極４側とは反対側に形成された上部電極６ａ，６ｂとを備えている。【００２４】
さらに、本実施形態の振動発電素子１０は、ベース基板１の一表面１ｂ側に、第１の圧電変換部３ａの下部電極と第２の圧電変換部３ｂの下部電極とを共通に用いた下部電極４が電気的に接続された下部電極用パッドたる共通電極８ｃと、第１の圧電変換部３ａおよび第２の圧電変換部３ｂのそれぞれの上部電極６ａ，６ｂが個別に接続された上部電極用パッドたる個別電極８ａ，８ｂとを有する。【００２５】
なお、ベース基板１の一表面１ｂ側には、各上部電極６ａ，６ｂと接続配線７ａ，７ｂを介してそれぞれ電気的に接続された個別電極８ａ，８ｂが、支持部２ａに対応する部位に形成されている。同様に、ベース基板１の一表面１ｂ側には、下部電極４と接続配線７ｃを介して電気的に接続された共通電極８ｃが、支持部２ａに対応する部位に形成されている。また、ベース基板１は、平面視において、カンチレバー部２ｂを介して、支持部２ａと対向する側に錘部２ｃを備えており、錘部２ｃが貫通孔１ｄを介して支持部２ａから延在するＣ字状のフレーム部２ｄの内側に囲まれて配置される構成としている。【００２６】
発電部３は、圧電層５の平面サイズが、下部電極４よりも小さくなるように設計している。また、発電部３は、上部電極６ａ，６ｂの各平面サイズがそれぞれ圧電層５よりも小さくなるように設計している。【００２７】
更に、発電部３は、ベース基板１の一表面１ｂ側であって、ベース基板１の他表面１ａ側に設けられた窪み部１ｃと対向するように配置してある。ここで、発電部３は、平面視において、下部電極４における外周縁の内側に圧電層５が位置し、該圧電層５における外周縁の内側に該圧電層５と接する各上部電極６ａ，６ｂを並置している。【００２８】
また、発電部３は、上部電極６ａ，６ｂ側と下部電極４側との短絡を防止する絶縁層９が、下部電極４および圧電層５それぞれの周部を覆う形で形成されている。絶縁層９は、平面視において、ベース基板１の一表面１ｂ側で圧電層５と各上部電極６ａ，６ｂとの接するエリアをそれぞれ規定している。すなわち、絶縁層９の平面視形状は、各上部電極６ａ，６ｂの周部に沿った枠状となっている。これにより、絶縁層９は、各上部電極６ａ，６ｂとそれぞれ電気的に接続された接続配線７ａ，７ｂと下部電極４との短絡を防止する。【００２９】
なお、本実施形態の振動発電素子１０における絶縁層９は、シリコン酸化膜により構成しているが、シリコン酸化膜に限らず、シリコン窒化膜により構成してもよいし、単層膜だけでなく多層膜の構造としてもよい。本実施形態の振動発電素子１０では、カンチレバー部２ｂの上側に形成される絶縁層９が、シリコン酸化膜もしくはシリコン窒化膜により形成されているので、絶縁層９をそれぞれレジストにより形成させた場合と比較して絶縁性および耐熱性を向上させることができる。【００３０】
また、ベース基板１は、一表面１ｂ側および他表面１ａ側それぞれにシリコン酸化膜からなる絶縁膜１２ｅ，１２ａを形成しており、発電部３とベース基板１とが一表面１ｂ側の絶縁膜１２ｅにより電気的に絶縁されている。【００３１】
本実施形態の振動発電素子１０では、発電部３が、下部電極４と圧電層５と上部電極６ａとで構成される第１の圧電変換部３ａと、下部電極４と圧電層５と上部電極６ｂとで構成される第２の圧電変換部３ｂとにより構成されている。そのため、カンチレバー部２ｂの振動によって発電部３の第１の圧電変換部３ａおよび第２の圧電変換部３ｂがそれぞれ応力を受け各別に発電する。すなわち、第１の圧電変換部３ａは、下部電極４と上部電極６ａとの間の圧電層５の部位に電荷の偏りが発生し交流電力が発生する。同時に、第２の圧電変換部３ｂは、下部電極４と上部電極６ｂとの間の圧電層５の部位に電荷の偏りが発生し交流電力が発生する。【００３２】
本実施形態における振動発電素子１０は、圧電層５の圧電材料として、変形方向と電界方向とが平行となるｄ31モードを利用したＰＺＴを用いている。なお、振動発電素子１０の圧電層５は、圧電材料としてＰＺＴに限らず、たとえば、ＰＺＴ−ＰＭＮ（：Ｐｂ（Ｍｎ，Ｎｂ）Ｏ3）、ＰＬＺＴ（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）やＳＢＴ（ＳｒＢｉ2Ｔａ2Ｏ9）などを用いてもよい。【００３３】
また、本実施形態の振動発電素子１０は、単結晶シリコン基板１２ｂと、単結晶のシリコン層（活性層）１２ｄとの間にシリコン酸化膜からなる埋込酸化膜１２ｃを挟んだ構造のＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用いてベース基板１を形成している。なお、ベース基板１となるＳＯＩ基板としては、シリコン層１２ｄの表面が（１００）面のものを用いている。【００３４】
また、本実施形態の振動発電素子１０では、ベース基板１として、ＳＯＩ基板を用いているので、後述する製造時において、ＳＯＩ基板の埋込酸化膜１２ｃをカンチレバー部２ｂの形成時におけるエッチングストッパ層として利用することができる。これにより、振動発電素子１０は、カンチレバー部２ｂの厚さの高精度化を図れるとともに、信頼性の向上および低コスト化を図ることが可能となる。なお、ベース基板１は、ＳＯＩ基板に限らず、たとえば、単結晶のシリコン基板などを用いてもよい。【００３５】
また、本実施形態の振動発電素子１０では、下部電極４をＰｔ膜により構成している。また、各上部電極６ａ，６ｂは、それぞれＴｉ膜とＡｕ膜との積層膜により構成している。振動発電素子１０の下部電極４および上部電極６ａ，６ｂは、これらの材料や層構造を特に限定するものではなく、下部電極４および上部電極６ａ，６ｂそれぞれを単層構造としてもよいし多層構造としてもよい。下部電極４の電極材料としては、たとえば、Ａｕ，Ａｌ，ＩｒやＩｎなどを採用してもよく、各上部電極６ａ，６ｂの材料としては、たとえば、Ｍｏ，ＡｌやＰｔなどを採用してもよい。【００３６】
本実施形態の振動発電素子１０では、下部電極４の厚みを１００ｎｍ、圧電層５の厚みを６００ｎｍ、上部電極６ａ，６ｂの厚みを１００ｎｍに設定してある。なお、振動発電素子１０の下部電極４、圧電層５や上部電極６ａ，６ｂの厚みは、上述の厚みだけに限定するものではなく適宜に設定すればよい。【００３７】
本実施形態の振動発電素子１０では、カンチレバー部２ｂの平面視形状が長方形状となっているが、これに限らず、たとえば、支持部２ａから離れて錘部２ｃに近づくほど幅寸法が徐々に小さくなる台形形状でもよい。【００３８】
本実施形態の振動発電素子１０では、平面視において、下部電極４の外周縁の内側に圧電層５が位置している。そのため、本実施形態の振動発電素子１０は、下部電極４と圧電層５とが略同じ平面サイズである場合に比べて、接続配線７ａ，７ｂの下地となる部分の段差の高さを低減できる。【００３９】
これにより、振動発電装置１０は、カンチレバー部２ｂの揺動に伴い発電部３の接続配線７ａ，７ｂに断線が生ずる恐れを低減させて、より信頼性の高い振動発電素子１０とすることができる。【００４０】
また、振動発電素子１０は、下部電極４と、各上部電極６ａ，６ｂとの短絡をそれぞれ防止する絶縁層９が、ベース基板１の一表面１ｂ側において支持部２ａ上まで延設されていてもよい。すなわち、上部電極６ａ，６ｂと当該上部電極６ａ，６ｂに電気的に接続される個別電極８ａ，８ｂとの間の接続配線７ａ，７ｂの全ての部位を絶縁層９上に形成し、個別電極８ａ，８ｂを絶縁層９の平坦な部位上に形成してもよい（図示していない）。これにより、振動発電素子１０は、接続配線７ａ，７ｂの下地となる部分の段差を低減でき、圧電層５の膜厚を大きくしながらも下部電極４と個別電極８ａ，８ｂとを電気的に接続する接続配線７ａ，７ｂの断線の可能性をより低減することができる。【００４１】
本実施形態の振動発電素子１０では、平面視において、第１の圧電変換部３ａと、第２の圧電変換部３ｂとが、カンチレバー部２ｂの揺動方向において歪量を同じくする略対称な位置に配置させている。これにより振動発電素子１０は、第１の圧電変換部３ａと、第２の圧電変換部３ｂとからそれぞれ出力される電力を略等しくすることが可能となる。第１の圧電変換部３ａと第２の圧電変換部３ｂとは、カンチレバー部２ｂの揺動に伴い、実質的に同一量の電荷が発生するので発電効率の低下を抑制することが可能となる。【００４２】
特に、本実施形態の振動発電素子１０では、平面視において、第１の圧電変換部３ａおよび第２の圧電変換部３ｂは、カンチレバー部２ｂが支持部２ａから延出する延出方向（図１Ａの右方向）に対して垂直方向に並置されている。これにより効果的に上述の発電効率の低下を抑制することが可能になる。【００４３】
本実施形態の振動発電素子１０は、第１の圧電変換部３ａで発電した電力を共通電極８ｃと個別電極８ａとを用いて出力させることができる。同様に、本実施形態の振動発電素子１０は、第２の圧電変換部３ｂで発電した電力を共通電極８ｃと個別電極８ｂとを用いて出力させることができる。【００４４】
ここで、本実施形態の振動発電素子１０は、図２に示すように、振動発電素子１０の共通電極８ｃおよび各個別電極８ａ，８ｂから出力される二相交流を整流する二相全波整流回路部たる整流器Ｄ２に接続させて振動発電装置２０を構成している。振動発電装置２０は、整流器Ｄ２の両端間にコンデンサＣｓを接続させている。また、振動発電装置２０は、振動発電装置２０に接続される図示しない負荷に応じて、コンデンサＣｓと負荷との間にＤＣ／ＤＣ変換部２１を設けて負荷側に供給する電圧を適宜に昇圧または降圧させる構成としている。【００４５】
本実施形態の振動発電素子１０を用いた振動発電装置２０では、上述した図１０Ｃに示した振動発電装置９２０とは異なり、振動発電素子１０の出力を交流電力から直流電力に整流するに際して、整流器Ｄ２における１個のダイオードを通って振動発電素子１０から電流が出力されることになる。そのため、本実施形態の振動発電素子１０を用いた振動発電装置２０は、図１０Ｃに示した振動発電装置９２０と比較して、整流器におけるダイオードでの損失を低減できるから発電効率を向上させることが可能となる。【００４６】
以下、本実施形態の振動発電素子１０の製造方法について図３Ａ〜３Ｃ、図４Ａ〜４Ｃ、図５Ａ〜５Ｃ、及び図６Ａ，６Ｂを参照しながら説明する。各図における製造工程において、平面図を上側に、要部の略断面図を下側に図示している。【００４７】
まず、ベース基板１となる上述のＳＯＩ基板からなる素子形成基板１１の一表面側および他表面側それぞれにシリコン酸化膜からなる絶縁膜１２ｅ，１２ａを熱酸化法などにより形成する絶縁膜形成工程（図３Ａを参照）を行う。これにより、素子形成基板１１を用いて形成されたベース基板１では、一表面１ｂ側に絶縁膜１２ｅを備え、他表面１ａに絶縁膜１２ａを備えることになる。なお、ＳＯＩ基板からなる素子形成基板１１は、単結晶シリコン基板１２ｂと、単結晶のシリコン層１２ｄとの間にシリコン酸化膜からなる埋込酸化膜１２ｃを挟んだ構造としている。【００４８】
その後、素子形成基板１１の一表面側の全面に下部電極４、接続配線７ｃおよび共通電極８ｃの基礎となるＰｔ層からなる第１の金属膜２４を、たとえば、スパッタ法やＣＶＤ法などにより形成する第１の金属膜形成工程を行う。第１の金属膜２４は、Ｐｔ膜に限らず、たとえば、Ａｌ膜やＡｌ−Ｓｉ膜でもよいし、Ａｕ膜と該Ａｕ膜と絶縁膜１２ｅとの間に介在させる密着性改善用の密着膜としてＴｉ膜を備えた構成してもよい。ここで、図示していない密着膜の材料は、Ｔｉに限らず、たとえば、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｚｒ、ＴｉＮやＴａＮなどを用いてもよい。【００４９】
続いて、素子形成基板１１の一表面側の全面に圧電材料（たとえば、ＰＺＴなど）からなる圧電層５の基礎となる圧電膜（たとえば、ＰＺＴ膜など）２５を、たとえば、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法や転写法などにより形成する圧電膜形成工程を行う（図３Ｂを参照）。【００５０】
次に、圧電膜形成工程後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して圧電膜２５を所定の形状にパターニングすることで圧電膜２５の一部からなる圧電層５を形成する圧電膜パターニング工程を行う（図３Ｃを参照）。【００５１】
なお、本実施形態の振動発電素子１０では、下部電極４上に圧電層５を形成しているが、圧電層５と下部電極４との間に、圧電層５の成膜時の下地となるシード層を介在させることで圧電層５の結晶性を向上させてもよい。シード層の材料としては、たとえば、導電性酸化物材料の一種であるＰＬＴ（（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ3）、ＰＴＯ（ＰｂＴｉＯ3）やＳＲＯ（ＳｒＲｕＯ3）などが挙げられる。【００５２】
また、所定の形状の圧電層５を転写法で形成することで、圧電膜パターニング工程を省略することもできる。たとえば、予め、図示しない圧電膜形成用基板の一表面上にスパッタ法、ＣＶＤ法やゾルゲル法などを用いて強誘電体薄膜からなる圧電膜を成膜させておく。次に、圧電膜形成用基板の圧電膜と、素子形成基板１１に上述の第１の金属膜形成工程で形成された下部電極４の基礎となる金属膜とを対向配置させた状態で、透光性の圧電膜形成用基板の他表面側からレーザ光を照射させる。レーザ光は、圧電膜形成用基板と、圧電膜との界面で吸収するように照射させる。これにより、圧電膜形成用基板から圧電膜の一部が剥離される。また、剥離した圧電膜は、素子形成基板１１の下部電極４の基礎となる金属膜側に転写されて圧電層５となる。レーザ光の照射する領域を制御することで、圧電膜を平面視において後に下部電極４となる金属膜上に下部電極４の外形よりも小さい形状に転写することができる。【００５３】
なお、圧電膜形成用基板は、ベース基板１よりも圧電層５の基礎となる圧電膜との格子定数差が小さく、格子整合性のよい基板を用いることが好ましい。たとえば、圧電膜の材料としてＰＺＴを用いた場合、圧電膜形成用基板としては、単結晶ＭｇＯ基板や単結晶ＳＴＯ（ＳｒＴｉＯ3）基板などを用いることができる。また、圧電膜形成用基板から圧電膜の一部を転写させるレーザ光は、たとえば、ＫｒＦエキシマレーザから照射させることができる。さらに、圧電膜形成用基板と、圧電膜との間に、圧電膜の結晶配向を制御するためのＰＬＴ、ＰＴＯやＳＲＯなどのシード層を設けてもよい。シード層は、圧電膜の一部を剥離するに際し、圧電膜の転写時にレーザ光を吸収させて除去される犠牲層として利用することもできる。圧電膜の転写に伴い圧電膜形成用基板の不要な破片が素子形成基板１１側に付着した場合は、適宜エッチャントにより除去してもよい。【００５４】
このような別途に形成させた圧電膜を転写して圧電層を形成する転写法を用いることにより、振動発電素子１０の製造時間を短縮させることが可能となる。すなわち、上述の金属膜の形成後に圧電層５を成膜して振動発電素子１０を製造する方法と比較して、圧電膜の形成に時間のかかる圧電膜形成工程を金属膜と圧電層とで別途に並行して行うことができる。【００５５】
次に、図３Ｃに示した圧電層５を形成後、第１の金属膜２４をフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して所定の形状にパターニングすることで、第１の金属膜２４の一部からなる下部電極４、接続配線７ｃおよび共通電極８ｃをそれぞれ形成する金属膜パターニング工程を行う（図４Ａを参照）。本実施形態の振動発電素子１０の製造方法では、下部電極４と併せて接続配線７ｃおよび共通電極８ｃを同時に形成している。ここで、下部電極４、接続配線７ｃおよび共通電極８ｃは、金属膜パターニング工程で第１の金属膜２４をパターニングすることで、全てを同時に形成するものだけでなく、下部電極４のみを形成してもよい。【００５６】
この場合、下部電極４を形成後、接続配線７ｃおよび共通電極８ｃを別途に形成する配線形成工程を設ければよい。同様に、接続配線７ｃを形成する接続配線形成工程と、共通電極８ｃを形成する共通電極形成工程とを別々に設けてもよい。なお、第１の金属膜２４のエッチングにあたっては、たとえば、ＲＩＥ法やイオンミリング法などを適宜に採用すれることができる。【００５７】
本実施形態の振動発電素子１０の製造方法では、図４Ａの金属膜パターニング工程において、第１の金属膜２４の加工により、第１の圧電変換部３ａおよび第２の圧電変換部３ｂに共通の下部電極４を形成している。【００５８】
金属膜パターニング工程により、下部電極４、接続配線７ｃ、および共通電極８ｃを形成した後、素子形成基板１１の上記一表面側に絶縁層９を形成する絶縁層形成工程を行う（図４Ｂを参照）。絶縁層形成工程では、圧電層５が形成された素子形成基板１１の上記一表面側にレジスト膜を塗布した後、該レジスト膜をフォトリソグラフィ技術によりパターニングする。続いて、素子形成基板１１の上記一表面側の全面に絶縁膜をＣＶＤ法などにより成膜した後、レジスト膜を剥離するリフトオフ法を利用することで絶縁層９を形成している。絶縁層形成工程では、絶縁層９を形成させるために、リフトオフ法を用いるだけに限られずフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してパターニングすればよい。素子形成基板１１の上記一表面側には、絶縁層９の形成により、平面視矩形状であって略同一形状の開口部９ａが２個並んで形成されることになる（図４Ｂの上側を参照）。【００５９】
次に、上部電極６ａ，６ｂを形成する上部電極形成工程は、絶縁層９の形成を行った素子形成基板１１の上記一表面側にレジスト膜を塗布した後、該レジスト膜をフォトリソグラフィ技術によりパターニングする。続いて、金属膜を蒸着して、レジスト膜を剥離するリフトオフ法を行うことにより、上部電極６ａ，６ｂと併せて接続配線７ａ，７ｂおよび個別電極８ａ，８ｂを形成させる上部電極形成工程を行う（図４Ｃを参照）。なお、上部電極６ａ，６ｂは、ＥＢ蒸着法やスパッタ法やＣＶＤ法などの薄膜形成技術、フォトリソグラフィ技術、エッチング技術を利用して形成する上部電極形成工程により、接続配線７ａ，７ｂおよび個別電極８ａ，８ｂと同時に形成させてもよい。また、本実施形態の振動発電素子１０の製造方法では、上部電極形成工程において、上部電極６ａ，６ｂと併せて接続配線７ａ，７ｂおよび個別電極８ａ，８ｂを形成しているが、これに限らず、上部電極形成工程と配線形成工程とを別々に行うようにしてもよい。また、配線形成工程は、接続配線７ａ，７ｂを形成する接続配線形成工程と、個別電極８ａ，８ｂを形成する個別電極形成工程とを別々に行ってもよい。【００６０】
続いて、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などを利用して、素子形成基板１１を加工することで、支持部２ａおよびカンチレバー部２ｂを備えたベース基板１を形成する素子形成基板加工工程を行う。フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などを利用して、素子形成基板１１の上記一表面側から支持部２ａ、カンチレバー部２ｂおよび錘部２ｃとなる部位以外の絶縁膜１２ｅをＢＨＦなどによりエッチングする。これにより、素子形成基板１１のシリコン層１２ｄを露出させる表面絶縁膜除去工程を行う（図５Ａを参照）。【００６１】
次に、ＲＩＥ法により、素子形成基板１１における上記一表面側の絶縁膜１２ｅを除去した部位のシリコン層１２ｄをエッチングにより除去する。これにより、埋込酸化膜１２ｃを露出させて貫通孔１ｄの一部となる表面溝１２ｆを形成する表面溝形成工程を行う（図５Ｂを参照）。【００６２】
続いて、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などを利用し、素子形成基板１１の上記他表面側から支持部２ａ、カンチレバー部２ｂおよび錘部２ｃとなる部位以外の絶縁膜１２ａをＢＨＦなどを用いてエッチングする。これにより、絶縁膜１２ａの一部を除去して単結晶シリコン基板１２ｂを露出させる（図５Ｃを参照）。【００６３】
絶縁膜１２ａの一部を除去した後、素子形成基板１１の上記他表面側から絶縁膜１２ａを除去した部位をＤｅｅｐ−ＲＩＥ法により、埋込酸化膜１２ｃに達する所定深さまで素子形成基板１１をエッチングする。これにより、素子形成基板１１における他表面側の埋込酸化膜１２ｃを露出させて、貫通孔１ｄの一部となる裏面構を形成する裏面構形成工程を行う（図６Ａを参照）。裏面構形成工程は、裏面構を形成すると同時に素子形成基板１１の他表面側に窪み部１ｃを形成している。【００６４】
続いて、埋込酸化膜１２ｃの不要部分をＲＩＥ法によるエッチングにより除去して、表面溝１２ｆと裏面溝１２ｇとを連通させた貫通孔１ｄを形成させる酸化膜エッチング工程とを行う（図６Ｂを参照）。これにより、カンチレバー部２ｂと併せて錘部２ｃが形成された振動発電素子１０を製造することができる。本実施形態の振動発電素子１０では、貫通孔１ｄを形成することにより、カンチレバー部２ｂを介して支持部２ａと対向する側に錘部２ｃを備え、錘部２ｃが貫通孔１ｄを介して支持部２ａから延在するＣ字状のフレーム部２ｄの内側に囲まれて配置される構成となる。【００６５】
本実施形態の振動発電素子１０は、カンチレバー部２ｂを介して支持部２ａと対向する側に錘部２ｃを備えているので、錘部２ｃを有していない場合に比べて、発電量を大きくすることができる。なお、振動発電素子１０は、支持部２ａに揺動自在に支持するカンチレバー部２ｂを備えていればよく、必ずしも錘部２ｃやフレーム部２ｄを形成させる必要もない。したがって、振動発電素子１０は、カンチレバー部２ｂを備えていれば、貫通孔１ｄを形成する酸化膜エッチング工程を省略することもできる。また、振動発電素子１０は、素子形成基板加工工程が終了するまでをウェハレベルで行ってから、個々の振動発電素子１０に分割するダイシンク工程を行うことで、複数個の振動発電素子１０を量産性よく形成することができる。【００６６】
なお、図１Ａ及び１Ｂに示した振動発電素子１０は、基本的にベース基板１と発電部３とで構成されているが、ベース基板１の一表面１ｂ側において支持部２ａやフレーム部２ｄに固着させた図示しない第１のカバー基板と、ベース基板１の他表面１ａ側において支持部２ａやフレーム部２ｄに固着させた図示しない第２のカバー基板とを設けてもよい。【００６７】
たとえば、第１のカバー基板は、ベース基板１側の一表面１ｂに、カンチレバー部２ｂおよび錘部２ｃが揺動する変位空間をベース基板１との間に形成するための凹所を備えたガラス基板やシリコン基板を用いればよい。【００６８】
なお、第１のカバー基板は、ベース基板１の共通電極８ｃ、個別電極８ａ，８ｂそれぞれに接合されて外部に出力可能な連絡用電極を適宜に備えればよい。【００６９】
また、第２のカバー基板は、ベース基板１側の他表面１ａに、カンチレバー部２ｂおよび錘部２ｃが揺動する変位空間をベース基板１との間に形成するための凹所を備えたガラス基板やシリコン基板を用いればよい。ここで、ベース基板１と第１および第２のカバー基板とは、たとえば、常温接合法、エポキシ樹脂などを用いた樹脂接合法や陽極接合法などにより接合することで形成することができる。【００７０】
なお、第１および第２のカバー基板を備えた振動発電素子１０を製造するためには、ベース基板１を形成した後、各カバー基板を接合するカバー接合工程を行うようにすればよく、カバー接合工程が終了するまでをウェハレベルで行ってから、ダイシング工程を行うことで個々の振動発電素子１０に分割すればよい。【００７１】
以上説明した本実施形態の振動発電素子１０では、下部電極４と、上部電極６ａ，６ｂとの間に高電界を印加することで、強誘電体薄膜を用いた圧電層５の分極処理を行うことができる。また、本実施形態の振動発電素子１０は、強誘電体薄膜を用いた圧電層５内の分極の向きに、ずれが生じたときでも、分極処理により圧電層５内の分極の向きを揃えることができる。同様に、本実施形態の振動発電素子１０は、圧電層５の分極の向きとカンチレバー部２ｂの揺動方向との間に、ずれが生じたときでも、分極処理により圧電層５の分極の向きを揺動方向に揃えることができる。そのため、本実施形態の振動発電素子１０は、圧電層５内の分極の向きや、圧電層５の分極の向きとカンチレバー部２ｂの揺動方向との間でずれが生じることにより、発電効率が低下することを抑制することが可能となる。【００７２】
特に、本実施形態の振動発電素子１０は、強誘電薄膜を用いた圧電層５に対し、下部電極４と上部電極６ａ，６ｂとの間に高電界を同時に印加する分極処理をそれぞれ行うことができる。これにより、第１の圧電変換部３ａおよび第２の圧電変換部３ｂにおける圧電層５の分極の向きを、発電部３の厚み方向において同一方向に揃える作業を同時に行うことが可能となる。【００７３】
このように形成された本実施形態の振動発電素子１０は、ベース基板１の一表面１ｂ側に第１の圧電変換部３ａと第２の圧電変換部３ｂとがカンチレバー部２ｂに重なる部において互いに並置させているため、第１の圧電変換部３ａの圧電層と第２の圧電変換部３ｂの圧電層とを共通の圧電層５として同時に形成することが可能となる。そのため、本実施形態の振動発電素子１０は、第１の圧電変換部３ａの圧電層と、第２の圧電変換部３ｂの圧電層とを別途独立に形成する振動発電素子１０と比較して、圧電層５の成膜時間を短くすることができる。【００７４】
本実施形態の振動発電素子１０は、ベース基板１の一表面１ｂ側におけるカンチレバー部２ｂに重なる部位において互いに並置された第１の圧電変換部３ａと第２の圧電変換部３ｂとを有し、第１の圧電変換部３ａおよび第２の圧電変換部３ｂに共通の下部電極４が電気的に接続された共通電極８ｃと、第１の圧電変換部３ａおよび第２の圧電変換部３ｂのそれぞれの上部電極６ａ，６ｂが個別に接続された個別電極８ａ，８ｂとを有することにより、出力電力がより高く小型化することが可能になる。【００７５】
なお、図１Ａ及び１Ｂの振動発電素子１０は、第１の圧電変換部３ａおよび第２の圧電変換部３ｂが、共通の下部電極４、共通の圧電層５および空間的に分離された個別の上部電極６ａ，６ｂを用いて構成されている。ここで、本実施形態の別の振動発電素子１０として、図７Ａ及び７Ｂに示すごとく、第１の圧電変換部３ａおよび図示していない第２の圧電変換部をそれぞれ個別の下部電極と、共通の圧電層５と共通の上部電極６ｆで構成してもよい。この場合、第１の圧電変換部３ａの下部電極４ｄと、第２の圧電変換部の図示していない下部電極とは空間的に分離されている。また、第１の圧電変換部３ａは、下部電極４ｄが接続配線７ｄを介して個別電極８ｄと電気的に接続されている。第２の圧電変換部は、下部電極４ｄと空間的に分離された図示していない下部電極が、接続配線７ｅを介して個別電極８ｄと電気的に接続されている。第１の圧電変換部３ａおよび第２の圧電変換部に共通に設けられた上部電極６ｆは、接続配線７ｆを介して共通電極８ｆと電気的に接続されている。【００７６】
これにより、図７Ａ及び７Ｂに示した振動発電素子１０は、図１Ａ及び１Ｂに示した振動発電素子１０と同様に、出力電力がより高く小型化することが可能になる。【００７７】
（実施形態２）
本実施形態の振動発電素子１０は、実施形態１の振動発電素子１０と略同一であり、第１の圧電変換部３ａおよび第２の圧電変換部３ｂが共通の圧電層５を用いる代わりに、第１の圧電変換部３ａの圧電層５ａと、第２の圧電変換部３ｂの圧電層５ｂとを空間的に分離された個別のものを用いた点が異なる。なお、実施形態１と同様の構成要素には、同一の符号を付して説明を適宜省略する。【００７８】
本実施形態の図８Ａ及び８Ｂに示す振動発電素子１０は、図１Ａ及び１Ｂと同様に、支持部２ａと支持部２ａの内側に配置され支持部２ａに揺動自在に支持されたカンチレバー部２ｂとを備えたベース基板１と、ベース基板１の一表面１ｂ側においてカンチレバー部２ｂに形成されカンチレバー部２ｂの振動に応じて交流電力を発生する発電部３とを備えている。【００７９】
また、振動発電素子１０は、発電部３が、ベース基板１の一表面１ｂ側におけるカンチレバー部２ｂに重なる部位において互いに並置された第１の圧電変換部３ａと第２の圧電変換部３ｂとを有している。特に、本実施形態の図８Ａ及び８Ｂに示す振動発電素子１０は、第１の圧電変換部３ａおよび第２の圧電変換部３ｂが、それぞれ、カンチレバー部２ｂ側の下部電極４と、該下部電極４におけるカンチレバー部２ｂ側とは反対側に形成された圧電層５ａ，５ｂと、該圧電層５ａ，５ｂにおける下部電極４側とは反対側に形成された上部電極６ａ，６ｂとを備えている。【００８０】
さらに、本実施形態の振動発電素子１０は、ベース基板１の一表面１ｂ側に、第１の圧電変換部３ａおよび第２の圧電変換部３ｂに共通の下部電極４が電気的に接続された共通電極８ｄと、第１の圧電変換部３ａおよび第２の圧電変換部３ｂのそれぞれの上部電極６ａ，６ｂが個別に接続された個別電極８ａ，８ｂとを有している。【００８１】
なお、本実施形態の図８Ａ及び８Ｂに示す振動発電素子１０は、第１の圧電変換部３ａの圧電層５ａと、該圧電層５ａと空間的に分離された第２の圧電変換部３ｂの圧電層５ｂとが、共通の下部電極４上にそれぞれ形成されている。【００８２】
なお、ベース基板１の一表面１ｂ側には、下部電極４と接続配線７ｄを介して電気的に接続された共通電極８ｄが、支持部２ａの対応する部位に形成されている。また、ベース基板１の一表面１ｂ側には、各上部電極６ａ，６ｂと接続配線７ａ，７ｂを介してそれぞれ電気的に接続された個別電極８ａ，８ｂが、支持部２ａの対応する部位に形成されている。【００８３】
なお、本実施形態の振動発電素子１０は、上部電極６ａ，６ｂと電気的に接続される接続配線７ａ，７ｂと下部電極４との短絡を防止する絶縁層を、第１の圧電変換部３ａにおける圧電層５ａの周部をそれぞれ覆う第１の絶縁層９ａと、第２の圧電変換部３ｂにおける圧電層５ｂの周部をそれぞれ覆う第２の絶縁層９ｂで形成されている。各絶縁層９ａ，９ｂは、平面視において、ベース基板１の一表面１ｂ側で圧電層５ａ，５ｂと各上部電極６ａ，６ｂとの接するエリアをそれぞれ規定している。なお、第１の絶縁層９ａと第２の絶縁層９ｂとは必ずしも別々に形成する必要もなく一体に形成させてもよい。【００８４】
本実施形態の振動発電素子１０では、第１の圧電変換部３ａの圧電層５ａと、第２の圧電変換部３ｂの圧電層５ｂとが空間的に分離されているので、図１Ａ及び１Ｂに示す実施形態１の振動発電素子１０と比較して、第１の圧電変換部３ａにおける上部電極６ａと、上部電極６ａから共通の圧電層５を介して第２の圧電変換部３ｂにおける上部電極６ｂとの間に寄生容量が生ずることを抑制することができ、発電効率をより向上させることが可能となる。【００８５】
なお、本実施形態の振動発電素子１０は、必ずしも下部電極４を共通に用いる必要もなく、図９Ａ及び９Ｂに示すように、発電部３が、第１の圧電変換部３ａと第２の圧電変換部３ｂとが、それぞれ個別に空間的に分離されて備えた構成としてもよい。すなわち、第１の圧電変換部３ａの下部電極４ｄ、圧電層５ａおよび上部電極６ａと、第２の圧電変換部３ｂの下部電極４ｅ、圧電層５ｂおよび上部電極６ｂとが、それぞれ個別に空間的に分離された構成としてもよい。【００８６】
なお、本実施形態の図９Ａ及び９Ｂに示す振動発電素子１０は、第１の圧電変換部３ａの下部電極４ｄから接続配線７ｄを介して接続された電極を個別電極８ｄとしている。また、振動発電素子１０は、第２の圧電変換部３ａの上部電極６ｂから接続配線７ｂを介して接続された電極を個別電極８ｂとしている。そして、第１の圧電変換部３ａの上部電極６ａから接続配線７ａを介して接続された電極と、第２の圧電変換部３ｂの図示していない下部電極から接続配線７ｅを介して接続された電極とを直列接続させて共通電極８ｇとして用いている。【００８７】
本実施形態の図８Ａ及び８Ｂや図９Ａ及び９Ｂに示す振動発電素子１０は、いずれも空間的に分離された圧電層５ａ，５ｂを用いて第１の圧電変換部３ａと第２の圧電変換部３ｂとを構成している。この場合、それぞれの圧電層５ａ，５ｂは、必ずしも同じ材料で形成する必要はない。すなわち、第１の圧電変換部３ａからの出力と、第２の圧電変換部３ｂからの出力とが同等となるように、第１の圧電層５ａおよび第２の圧電層５ｂの面積、厚みや材料を適宜に選択することもできる。また、振動発電素子１０は、カンチレバー部２ｂの揺動方向に対して、第１の圧電変換部３ａの圧電層５ａと、第２の圧電変換部３ｂの圧電層５ｂとで分極の極性を逆方向にすることもできる。このような圧電層５ａ，５ｂは、たとえば、実施形態１の振動発電素子１０における図３Ｃの圧電膜パターニング工程時に、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して、第１の圧電変換部３ａおよび第２の圧電変換部３ｂごとに個別に空間的に分離した所定の形状にパターニングすることで形成させることができる。この場合、圧電層５ａ，５ｂを個別に空間的に分離して形成させた後、金属膜をエッチングして共通の下部電極４を形成することができる。また、圧電層５ａ，５ｂを個別に空間的に分離して形成させた後、第１の圧電変換部３ａおよび第２の圧電変換部３ｂの間にあたる金属膜をエッチングして空間的に分離させた個別の下部電極４ｄ，４ｅを形成してもよい。【００８８】
また、上述の転写法を利用することで、下部電極４，４ｄ，４ｅ上に第１の圧電変換部３ａおよび第２の圧電変換部３ｂごとに圧電層５ａ，５ｂを個別に空間的に分離して形成させることもできる。【００８９】
本実施形態の図９Ａ及び９Ｂに示す振動発電素子１０では、カンチレバー部２ｂの揺動時に下部電極４ｄ，４ｅおよび上部電極６ａ，６ｂに誘起される電荷を逆極性とし、第１の圧電変換部３ａと第２の圧電変換部３ｂとを直列に接続している。これにより、振動発電素子１０の発電部３は、第１の圧電変換部３ａの圧電層５ａや第２の圧電変換部３ｂの圧電層５ｂそれぞれの電圧と比較して、各圧電層５ａ，５ｂを合わせた厚みとなる圧電層が存在するのと同等の高い電圧を出力することが可能となる。【００９０】
本実施形態の振動発電素子１０は、下部電極４ｅ，４ｄと、上部電極６ａ，６ｂとの間にそれぞれ異なる極性の高電界を印加することで、強誘電体薄膜を用いた圧電層５ａ，５ｂの分極処理を第１の圧電変換部３ａ、第２の圧電変換部３ｂごとに行うことができる。したがって、本実施形態の振動発電素子１０は、強誘電体薄膜を用いた第１の圧電変換部３ａ、第２の圧電変換部３ｂの各圧電層５ａ，５ｂ内の分極の向きに、ずれが生じたときでも、分極処理により各圧電層５ａ，５ｂ内の分極の向きを揃えることができる。同様に、本実施形態の振動発電素子１０は、圧電層５ａ，５ｂの分極の向きとカンチレバー部２ｂの揺動方向との間に、ずれが生じたときでも、分極処理により第１の圧電変換部３ａ、第２の圧電変換部３ｂの各圧電層５ａ，５ｂごとに圧電層５ａ，５ｂの分極の向きを互いに逆向きで揺動方向に揃えることができる。そのため、振動発電素子１０は、圧電層５ａ，５ｂにおける分極の向きとカンチレバー部２ｂの揺動方向との間でずれが生じることにより、発電効率が低下することを抑制することが可能となる。【００９１】
本実施形態の図９Ａ及び９Ｂに示す振動発電素子１０は、第１の圧電変換部３ａで発電した電力を共通電極８ｇと個別電極８ｄとを用いて出力させることができる。同様に、本実施形態の振動発電素子１０は、第２の圧電変換部３ｂで発電した電力を共通電極８ｇと個別電極８ｂとを用いて出力させることができる。これにより、本実施形態の振動発電素子１０は、負荷に供給する電力がより高く小型化が可能な振動発電素子とすることができる。【００９２】
本実施形態の振動発電素子１０は、実施形態１の振動発電素子１０と同様にして、図２に示す振動発電装置２０を構成することができる。【００９３】
本発明を幾つかの好ましい実施形態について記述したが、この発明の本来の精神および範囲、即ち請求の範囲を逸脱することなく、当業者によって様々な修正および変形が可能である。
【図１Ａ】
2012026453.tif 000003
【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年3月12日(2013.3.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８９】
本実施形態の図９Ａ及び９Ｂに示す振動発電素子１０では、カンチレバー部２ｂの揺動時に下部電極４ｄ，４ｅおよび上部電極６ａ，６ｂに誘起される電荷を逆極性とし、第１の圧電変換部３ａと第２の圧電変換部３ｂとを直列に接続している。
【国際調査報告】
2012026453.tif 000026
2012026453.tif 000027